Orientador: Alcides Padilha / Banca: Paulo Cesar Mioralli / Banca: Santiago Del Rio Oliveira / Resumo: A necessidade de fontes renováveis de energia, devido às alterações climáticas e, assim, a busca de fontes limpas de energia, justificam o crescente investimento em novos tipos de coletores solares. As pesquisas têm contribuído com essa expansão no âmbito dos coletores solares concentradores, tendo como objetivo principal seu Desempenho. Muitos trabalhos tem sido desenvolvidos utilizando a estratificação térmica do fluido no interior dos tubos e em reservatórios térmicos, assim como, a modelagem analítica para o problema de fluxo de calor. Baseando-se nas características de operação e em parâmetros de eficiência dos coletores por tubos evacuados convencionais, este trabalho propõe um estudo experimental de aquecimento de água por sistema de captação solar por tubos evacuados modificados em relação a um sistema convencional. Uma abordagem importante refere-se a separação física dos fluxos de água fria e quente no interior do tubo evacuado. O desempenho do sistema foi analisado a partir de testes experimentais ao ar livre com incidência solar. O vácuo no sistema estudado proporciona linearidade e constância na sua eficiência, em relação aos coletores solares por placas planas. Referindo-se a captação de energia do sistema, há um acréscimo de 8,7ºC na temperatura de saída da água aquecida em relação à sua entrada. O sistema ensaiado com um tubo evacuado produziu 105,78 litros de água aquecida, durante o dia solar disponível. Por se tratar de um trabalho experimental inédito, há uma grande dificuldade em localizar pesquisas referentes ao mesmo assunto, dificultando, assim, comparações entre os resultados obtidos e de outros trabalhos científicos / Abstract: The need for renewable energy, due to climate change and thus search for clean energy sources justify the increased investment in new types of solar collectors. Research has contributed to this expansion within the concentrator solar collectors, with the main objective performance. Many studies have been developed using the thermal stratification of the fluid inside the tubes and in heat reservoirs, as well as the analytic modeling of the problem of heat flow. Based on the the operatining characteristics and performance parameters of evacuated tube collectors for conventional, this work proposes and experimental study of heating water by solar collection system for tubes modified compared to a conventional system. An important approach refers to physically separate the flows of hot and cold water inside the evacuated tube. The system performance was analyzed from experimental tests outdoors in sunlight. In this study the vacuum provides linearity and constancy in efficiency compared to a flat plate solar collectors. Refering to energy harvesting system, there is a increase of 8.7ºC in the outlet temperature of the heated water compared the entrance. With only one evacuated tube were production of 105.78 liters of heated water during the solar day available. Because it is unpublished experiment work, there is great difficulty in locating researches concerning the same subject, thus hampering comparisons between results and other scientific works / Mestre

Uma simulação numérica do ciclo de refrigeração a adsorção é realizada para os pares zeólita-água e carvão ativo AC-35 metanol, justificando a escolha do par bem como do sistema de captação a serem utilizados no protótipo. O protótipo construído compreende um concentrador cilíndrico-parabólico com rastreamento solar, um tubo de calor e uma unidade frigorífica (com zeólita-água). Aspectos tecnológicos como válvulas, soldas e carregamento do par na máquina são analisados. Os resultados dos testes de desempenho são apresentados, discutidos e comparados com a literatura. Uma análise de custos é feita. Paralelamente, construímos termo pilhas pelo método da evaporação. Estas termopilhas foram utilizadas na construção do piranômetro e do pireliômetro. Os instrumentos são caracterizados em termos de sensibilidade, constante de tempo, linearidade, efeitos de temperatura e convecção natural. Os resultados desta caracterização são discutidos e comparados com um modelo fabricado pela Eppley. Finalmente, no apêndice I, testamos o desempenho de um coletor plano utilizando no absorvedor o revestimento seletivo de óxido de alumínio recentemente desenvolvido no IFQSC. As melhores condições para obtenção do revestimento seletivo em placas de grande porte são estudadas. / A numerical simulation of the adsorption refrigeration cycle was made for zeolite/water and activated carbon(AC-35)/ methanol pairs, to select the pair and the solar collector in the prototype. The fabricated prototype consists of a cylindrical paraolic concentrator with solar trackins, a heat pipe and the refrigeration unit (with the zeolite/water pair). The technical aspects of values, welds and out-gassing are analyzed. The results of the performance tests are presented, discussed and compared with the literature. An analysis of costs is made. In parallel thermopiles were constructed using the evaporation method. These thermopiles were used in the construction of the piranometer and the pirheliometer. The instruments were characterized in terms of: sensitivity, stability with time, linearity, effects of temperature and natural convenction. The results of this characterization are discussed and compared with a model made by Eppley. Finally, in Apendix I, we tested the performance of a flat plate collector using a selective coating of aluminium oxide (developed in IFQSC) as absorber. The Best conditions for obtaining the seletive coating on big size plates are discussed.

Este trabalho dimensionou um receptor de cavidade para uso como reator químico de um ciclo de conversão de energia solar para energia química. O vetor energético proposto é o hidrogênio. Isso implica que a energia solar é concentrada em um dispositivo que absorve a radiação térmica e a transforma em energia térmica para ativar uma reação química endotérmica. Essa reação transforma o calor útil em gás hidrogênio, que por sua vez pode ser utilizado posteriormente para geração de outras formas de energia. O primeiro passo foi levantar os pares metal/óxido estudados na literatura, cuja finalidade é ativar um ciclo termoquímico que possibilite produção de hidrogênio. Esses pares foram comparados com base em quatro parâmetros, cuja importância determina o dimensionamento de um receptor de cavidade. São eles: temperatura da reação; estado físico de reagentes e produtos; desgaste do material em ciclos; taxa de reação de hidrólise e outros aspectos. O par escolhido com a melhor avaliação no conjunto dos parâmetros foi o tungstênio e o trióxido de tungstênio (W/WO3). Com base na literatura, foi determinado um reator padrão, cujas características foram analisadas e suas consequências no funcionamento do receptor de cavidade. Com essa análise, determinaram-se os principais parâmetros de projeto, ou seja, a abertura da cavidade, a transmissividade da janela, e as dimensões da cavidade. Com base nos resultados anteriores, estabeleceu-se um modelo de dimensionamento do sistema de conversão de energia solar em energia útil para um processo químico. Ao se analisar um perfil de concentração de energia solar, calculou-se as eficiências de absorção e de perdas do receptor, em função da área de abertura de um campo de coleta de energia solar e da radiação solar disponível. Esse método pode ser empregado em conjunto com metodologias consagradas e dados de previsão de disponibilidade solar para estudos de concentradores de sistemas de produção de hidrogênio a partir de ciclos termoquímicos. / This work aimed to design a cavity receptor for purpose of chemical reactor for cycles of energy conversion of solar energy to chemical energy. The proposed chemical agent is hydrogen gas. Solar energy is concentrated in a device that absorbs thermal radiation, transforming it in thermal energy, used to activate chemical reactions. This reaction transforms the heat in hydrogen gas and the last, in its turn, can be used to generate other forms of energy. The first step oh this work was an assessment of metal/oxides pairs studied in literature, which can be used to activate thermochemical cycles for hydrogen production. These pairs were compared based in four parameters, important to cavity receptor design: reaction temperature, physical state of the reactants and products, material resistance to several cycles; hydrolysis reaction rate and other aspects. The chosen pair, rated as the higher average in all parameters, was the pair tungsten and tungsten trioxide. (W/WO3). Based in the literature, it was determined a standard reactor, which was studied regarding cavity reactor performance. By such analysis, it was possible to determine the main design parameters, therefore, cavity aperture, window transmissivity, and the cavity geometric dimensions. The results allowed to establish a mathematical model in which solar energy can be converted in useful energy for chemical processes, inside a cavity receptor. Given a profile of solar energy concentration, it was calculated absorption and energy lost efficiencies, related to a solar concentration field and radiation available. This method can be used in tandem with available methodologies and data of solar predictions for hydrogen production by concentration systems via thermochemical cycles.

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-01-21T10:10:35Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-01-21T10:10:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tendo em vista a Economia do Hidrogênio e sua infinidade de possibilidades, este trabalho estuda a geração de hidrogênio utilizando a energia solar fotovoltaica. Tendo em vista o consumo mundial de energia crescente, novos métodos de produção energética tem que ser levados em consideração, como o fato do hidrogênio ser um vetor energético de baixo impacto ambiental. Por outro lado, as reservas de combustíveis fósseis não serão capazes de satisfazer essa demanda em longo prazo e seu uso contínuo produz efeitos colaterais, como a poluição que ameaça a saúde humana e os gases de efeito estufa associados à mudança climática. No contexto do Brasil, a eletrólise da água combinada com as energias renováveis e células a combustível seriam uma boa base para melhorar o fornecimento de energia distribuída. Propõe-se, no presente trabalho, produzir hidrogênio por energia renovável, especificamente pelo acoplamento direto de um gerador fotovoltaico a um eletrolisador alcalino de água experimental, concebido localmente. Busca-se entender as características inerentes da interação desses dispositivos, encontrar as eficiências de cada etapa do sistema montado, assim como a eficiência global, adquirindo uma noção mais precisa e prática do uso da energia solar fotovoltaica na alimentação de um eletrolisador. Os resultados experimentais evidenciaram que a transferência da energia do gerador fotovoltaico ao eletrolisador depende fortemente das condições instantâneas climáticas e do modo como estes estão conectados. A interdependência entre variáveis foi reproduzida pelas investigações com destaque para: densidade de corrente no eletrolisador, potencial elétrico, irradiância solar, concentração do eletrólito, área do eletrodo e dimensões da célula eletrolítica. A eficiência do eletrolisador alcançada foi de 21%. A eficiência global (irradiância solar - hidrogênio) foi de 2%. O presente estudo dá subsídios para que seja dimensionado o acoplamento do sistema eletrolisador - gerador FV a partir de uma célula eletrolítica buscando-se minimizar perdas. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Orientador: Ana Flávia Nogueira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T23:53:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_FlavioSantos_D.pdf: 16885434 bytes, checksum: 48b960051e69118d4e3bbf7bc096a552 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Este trabalho apresenta a síntese de moléculas carboxiladas e sua utilização como agentes compatibilizantes em sistemas híbridos inorgânico/orgânico. A caracterização e aplicação das interfaces destes sistemas híbridos de dióxido de titânio com poli(3-hexiltiofeno) (TiO2/P3HT) e silício monocristalino com poli(3-hexiltiofeno) (Si/P3HT) também foram estudadas. No primeiro sistema, TiO2/P3HT, a modificação superficial do TiO2 foi efetuada com três moléculas carboxiladas: ácido 2-tiofenocarboxílico (TCA), ácido 2-tiofenoacético (TAA) e ácido 2,4-tiofenodicarboxílico (TDA). Essas modificações demostraram que a molécula TAA apresenta melhor compatibilidade na interface, evidenciada por estudos fotofísicos de Espectroscopia de Absorção Transiente (TAS) e medidas de ângulo de contato. A célula solar com TAA (configuração invertida) apresentou eficiência de 0,03%, três vezes maior que a obtida no dispositivo padrão. Com a inserção do corante N719 na superfície do TiO2, a eficiência alcançou valores superiores a 1%. A eficiência dos dispositivos chegou a 1,35% com a inserção na camada de P3HT de nanopartículas de TiO2 na forma de bastão (TiO2 NB/TAA). Essa modificação da camada polimérica mostrou que o TiO2 NB/TAA apresentou propriedades ligeiramente superiores nos experimentos de fotoeletroquímica quando comparado com nanopartículas sintetizadas no formato esférico (TiO2 NE). Além disso, a técnica de Espalhamento de Raios-X a Baixo Ângulo (SAXS) mostrou que as nanopartículas TiO2 NB/TAA e TiO2 NE encontram-se distribuídas de forma homogênea pela matriz de P3HT. No segundo sistema, as células solares de Si/P3HT foram obtidas a partir de reações que modificaram a interface dos materiais. A adsorção química da molécula TAA sobre o óxido nativo (Si/SiOx/TAA) e a reação do grupo superficial Si-Cl com o reagente de Grignard brometo de tiofeno-magnésio (Si/Tiofeno) foram respectivamente caracterizadas por Espectroscopia de Infravermelho (FTIR) e Espectroscopia de Fotoelétrons por Raios-X (XPS). A contribuição do P3HT para o dispositivo foi avaliada a partir da comparação com uma junção Schottky (Al/Si/Au). Os valores de VOC obtidos nas células solares na presença de P3HT foram similares (~0,4 V) e superiores ao obtido no dispositivo sem o polímero (~0,2 V), evidenciando o domínio da junção Si/P3HT para as propriedades fotovoltaicas. O dispositivo Si/SiOx/TAA apresentou grande resistência em série, com eficiência de conversão de energia inferior a 0,5%. Porém, com a configuração Al/Si/Tiofeno/P3HT/Au, as células solares alcançaram valores de eficiência de 5,76%. A eficiência superior foi relacionada com a melhor adesão e compatibilidade entre o Si e o P3HT a partir de imagens de SEM / Abstract: This work presents the synthesis of carboxylated molecules and their use as compatibilizer agents in hybrid inorganic/organic systems. Characterization and application of the interfaces of those hybrid systems comprising titanium dioxide with poly(3-hexylthiophene) (TiO2/P3HT) and monocrystalline silicon with poly(3-hexylthiophene) (Si/P3HT) will also be described. In the former system, TiO2/P3HT, the TiO2 surface was modified with three molecules: 2-thiophenecarboxylic acid (TCA), 2-thiopheneacetic acid (TAA) and 2,4- thiophenedicarboxylic acid (TDA). Transient Absorption Spectroscopy (TAS) photophysical studies and contact angle measurements demonstrated that TAA presents the best compatibility in the interface. Solar cells modified with TAA, set up in inverted configuration, showed 0.03% of overall energy conversion efficiency, which is three times larger than the one obtained from a standard device. Replacing TAA by N719 dye on TiO2 surface increased the efficiency, achieving values higher than 1%. Inserting TiO2 rod-shaped nanoparticles (TiO2 NB/TAA) on P3HT layer of the latter system resulted in 1.35% overall efficiency. Photoelectrochemical experiments demonstrated that this modification using TiO2 NB/TAA increases exciton separation rate and conductivity properties slightly enhanced compared to spherical nanoparticles (TiO2 NE/TAA). Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) showed that TiO2 NB/TAA and TiO2 NE nanoparticles are homogeneously distributed in the P3HT matrix. In the Si/P3HT hybrid system, the inorganic/organic interface was modified through chemical adsorption of TAA molecules on the native oxide (Si/SiOx/TAA) and a reaction of the surface Si-Cl groups with Grignard reagent 2-thiophene-magnesium bromide (Si/Tiofeno). Both reactions were characterized using Infrared Spectroscopy (FTIR) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The contribution of P3HT to the p-n junction formation in the photovoltaic device was evaluated from a comparison with a Schottky junction (Al/Si/Au). The VOC values obtained with P3HT were similar among the experiments (around 0.4 V) and higher than without the polymer (around 0.2 V). This observation highlights the dominance of Si/P3HT for photovoltaic properties. The Si/SiOx/TAA device exhibited a high series resistance, with energy conversion efficiency lower than 0.5%. However, using Al/Si/Tiofeno/P3HT/Au configuration, the solar cells reached 5.76% efficiency. The higher values might be related to a better adhesion and compatibility between Si and P3HT, which was observed from SEM images / Doutorado / Quimica Inorganica / Doutor em Ciências

M.Ing. / Sustained or long endurance solar powered flight is defined as an aircraft capable of main- taining flight through multiple day-night flight cycles, using only solar power and rechargable energy stores. The project is focused on developing solar powered flight theory and real-world unmanned aerial vehicle implementations. The important aspects of system design are es- tablished and studied at a fundamental theoretical level. A preliminary design is conducted with endurance optimisation as the main aim. The optimisation process aims to establish a theoretical basis for sustained solar powered flight. The project is started with a feasibility and relevance study. A literature study was used to gather the required theoretical information. A novel theoretical preliminary design basis is conducted. The study is aimed at answering many questions in the field. The study is the first to show how previously varied aircraft from 3 m to 80 m are valid solutions to the long endurance flight requirement. The optimisation results correlates well with the current state-of-the-art. The theoretical models were then characterised through the development of two unmanned aerial vehicles. The development required a multidisciplinary integration of various fields. The development process was characterised and discussed. Flight automation was successfully integrated into the system. Multiple test flights were conducted. An interpretation of multi- faceted results are given. This project has contributed to international theory regarding solar powered and sustained endurance aircraft. Many specific contributions were made to the field. The project has achieved multiple unofficial records from the flight tests in the Southern Hemisphere and African continent.

Presently, wireless sensor nodes are widely used and the lifetime of the system is becoming the biggest problem with using this technology. As more and more low power products have been used in WSN, energy harvesting technologies, based on their own characteristics, attract more and more attention in this area. But in order to design high energy efficiency, low cost and nearly perpetual lifetime micro energy harvesting system is still challenging. This thesis proposes a new way, by applying three factors of the system, which are the energy generation, the energy consumption and the power management strategy, into a theoretical model, to optimally design a highly efficient micro energy harvesting system in a real environment. In order to achieve this goal, three aspects of contributions, which are theoretically analysis an energy harvesting system, practically enhancing the system efficiency, and real system implementation, have been made. For the theoretically analysis, the generic architecture and the system design procedure have been proposed to guide system design. Based on the proposed system architecture, the theoretical analytical models of solar and thermal energy harvesting systems have been developed to evaluate the performance of the system before it being designed and implemented. Based on the model's findings, two approaches (MPPT based power conversion circuit and the power management subsystem) have been considered to practically increase the system efficiency. As this research has been funded by the two public projects, two energy harvesting systems (solar and thermal) powered wireless sensor nodes have been developed and implemented in the real environments based on the proposed work, although other energy sources are given passing treatment. The experimental results show that the two systems have been efficiently designed with the optimization of the system parameters by using the simulation model. The further experimental results, tested in the real environments, show that both systems can have nearly perpetual lifetime with high energy efficiency.

The increase in demand for renewable energy sources has been exponential in recent years and is mainly driven by factors that include the growth of greenhouse emissions and the decline in fossil fuel reservoirs. Photovoltaic (PV) energy, one of the more prominent renewable energy sources, produces electricity directly from sunlight, noiselessly and harmlessly to the environment. Additionally, PV energy systems are easy to install and financially supported by many governments, which has helped disseminate PV technology worldwide. The total generated power from PV installations (and the number of installations) has increased more than two-fold during the past 3 years, so that now more than 177 GW of PV-generated power is delivered per year. Researchers have been led to work on the obstacles facing PV systems from different perspectives, including: installation cost, inconsistency, and conversion and interface efficiency. The aim of this thesis is to design a high-efficiency PV inverter system configuration. The contribution to the knowledge in this thesis can be divided into two parts. The first part contains a critical analysis of different maximum power point tracking (MPPT) techniques. The second part provides a detailed design of the inverter system, which consists of a boost converter and a low-frequency H-bridge. Together, the three parts in this contribution present a complete high efficiency PV inverter system. The proposed system maintains high-efficiency energy delivery by reducing the number of high-frequency switches, which waste a significant amount of energy and reduce system efficiency. In order to show the superiority of the proposed configuration, a power loss analysis comparison with the other existing configurations is presented. In addition, different scenarios have been simulated with Matlab/Simulink. The results of these simulations confirm the distinction of the proposed configuration as well as its low-loss, high-efficiency characteristics which is rated at 98.8%.

[pt] Uma análise experimental de um sistema termossifão para aquecimento d água com energia solar é feita. A vazão massica foi medida com um rotâmetro especialmente projetado. Coletores com e sem cobertura foram testados e seu desempenho comparado, como função da altura do tanque ao coletore outros parâmetros. Finalmente sugere-se uma faixa ótima de parâmetros para utilização do coletor sem cobertura para aquecimento d água. / [en] An experimental analysis of a thermosyphon loop used as a solar water heater is made. The mass flow rate was measured with a specially designed rotameter. Single glazed and unglazed collectors were tested and their performance compared as a function of collector-to-tank height and other parameters. Finally, it is suggested an Optimum range of parameters to be used in solar water heating systems with unglazed collectors.

Solar heating systems, by the nature of their design and inherent thermal mass, are sensitive to the changes in the prevailing climatic conditions. A computer program has been developed to predict and display the dynamic performance of solar water heating systems and their installation designs under transient climatic and restricted site conditions. A multi-node capacitance model describes the dynamic heat transfer and energy storage processes within the solar collector unit, storage tank and the connecting pipework. This simulation model predicts the dynamic system performance under intermittent solar radiation, system operation and energy usage conditions. Validation studies have been carried out on the computer simulation results against the performance of a purpose-built solar collector test facility and a commercial solar water heating system in actual operation in Aberdeen. A good correlation has been obtained in both cases. The accuracy of the prediction was found to be dependant upon the time interval of the available climatic data and the complexity of the thermal simulation network chosen. The experimental facilities and the computer simulation program have been developed to investigate the effect of integrating the solar collector installation as part of the roof fabric, as a possible technique to improve the system performance in exposed locations. The application of this computer program lies in the development of innovative solar collector system and installation designs to achieve optimum system performance under transient climatic and restricted urban site conditions.